嵌入式系统高效电源设计

　　概要

　　该项目的目标是设计一个高效电源系统，其输出电压(VOUT)可以数字调节。为了保证输出电压的精确性，采用数字闭环控制，用于修正失调、漂移和负载变化(最大至600mA)的影响。电路包括输出可调的降压型控制器、ADC与DAC、电压基准以及一个微控制器(MCU)。

　　在大多数DC-DC转换器中，位于FB引脚上的电阻网络可以调整转换器的输出电压(见图1)。在本文电路中，利用DAC输出电压(VDAC)改变电阻网路的基准电压，达到调整转换器输出(VOUT)的目的。ADC检测输出电压，并将结果送入微处理器。微处理器调整DAC输出，以控制系统输出电压达到预定值。为使电路尽可能简单，预设输出电压通过PC的串行通信口(RS-232)送入微处理器。这个系统在一些需要精确控制供电电压的嵌入式系统中非常有用。例如为ASIC、DSP或者MCU供电的电源，电源电压对应于处理器的工作速率。将供电电压调整到工作速率对应的最小电压，可以降低处理器功耗。

图1

　　电路所需器件和开发工具

　　系统的主电源选择低静态电流、输出1.25V～5.5V可调的降压型调节器MAX1692，它可以提供最大600mA的电流。MAX1692评估板提供了一个经过验证的电路布局和推荐输入电容、输出电容和电感量。MAX1692反馈引脚电阻网络的偏置由低功耗、12位DAC提供，MAX5302可以提供2.5mA的负载驱动。DAC基准电压为2.5V。电压调节器输出电压由低功耗、12位ADC(MAX1286)读取， MAX1286能自动关断，可以在转换之间减少电源消耗。ADC基准由高精度5V电压基准MAX6126 提供。ADC和DAC均采用SPI口通信。高精度电压基准包括输出检测和地检测引脚，将其连接到ADC的基准和地引脚。这样可以保证ADC具有最高准度的基准电压。

图2 供电系统的模拟部分产生一路负载可达600mA、1.25V～5V可调的高准确度输出电压

　　微处理器选择高速的8051兼容微处理器DS89C420，使用32MHz晶体。该微处理器的绝大多数指令为单指令周期，可以运行在32MIPS。处理器可以由J1口在线编程(见图3)。DS89C420/430/440/450系列用户手册介绍了如何通过PC串行通信口，利用微软的超级终端(HyperTermina)下载固件。处理器固件用C编写并可使用免费的Sourceforge Small Devices C编译器(SDCC)编译。

图3

　　图3 供电系统的数字部分需要一个稳定的5V电源(与模拟部分共用)，数字部分通过逐位控制的SPI接口与DAC、ADC通信。串行收发器(U8)从PC接收VOUT设定值，J1提供MCU的在线编程。

　　模拟电路设计

　　为计算电阻网络中的R1、R2和R3 (见图2)，先假设流入FB引脚的电流(IFB)可以忽略(MAX1692规格表给出的最大值为50nA)，设R2为49.9kΩ。FB引脚电压为1.25V，电流I2为25mA，远高于50nA，证明忽略IFB的决定是正确的。最后，计算R1和R2：